一种适用于大角度的三维坐标转换参数求解算法

针对传统的三维基准转换模型局限于求取小角度的三维基准间转换参数的缺点,提出了一种适用于大角度的三维基准转换参数求解模型。利用实测数据和模拟数据对此模型进行了验证,结果表明,所提出的算法适用于任意角度的三维基准转换,既可利用传统的最小二乘方法估计坐标转换参数,又可利用整体最小二乘方法进行参数求解,可靠性高,解算速度快。     

坐标参数化的平面基准转换方法

工程测量中经常需要实现不同坐标系下成果的相互转换,而高精度的转换参数是完成这一工作的基础。获取基准转换参数的实质就是利用公共点在两套坐标系下的坐标,根据相似变换原理建立误差方程求解。传统的最小二乘(LS)相似变换法只考虑了公共点在一套坐标系下的误差,与实际情况不符。基于此,探讨了坐标参数化的平面基准转换方法,解决了考虑公共点在两套坐标系下坐标都含有误差时高斯-马尔科夫(Gauss-Markov,G-M)模型不成立的问题,以相似变换原理为基础,采取通用的最小二乘方法解算基准转换参数。     

应用抗差最小二乘处理天文测量时间比对数据

介绍了抗差最小二乘法的原理及其优点,分析了几种常见的权函数;研究了用抗差最小二乘方法（IGG3方案）对天文测量的时间比对数据进行处理方法;最后,用算例说明了抗差最小二乘法对数据处理结果比最小二乘理论＋3S法则处理结果精度更高。     

基于整体最小二乘的参数估计新方法及精度评定

根据拉格朗日原理,推导运用整体最小二乘求解间接平差、附有限制条件的间接平差这两种测量数据处理模型,得到简单、易于编程实现的新迭代算法。给出整体最小二乘参数估计的单位权中误差计算公式以及待估参数的近似精度评定公式,并通过实际算例进行验证分析。     

最小二乘原理的进一步推广

本文根据参数估计的原理，讨论在信号X和噪声Δ的协方差Cov（X，Δ）≠0的情况下的滤波问题。导出了更一般的“广义最小二乘原理”，并根据所导出的广义最小二乘原理，得到了滤波问题的最小二乘平差算法及最小二乘平差问题的滤波算法。     

三维坐标转换的通用整体最小二乘算法

三维坐标转换模型属于非线性EIV（errors-in-variables）模型,现有整体最小二乘算法均设定了某些特殊假设条件,如仅适用于小角度或者属于非统计意义上的数值解,并且不能用于结构性的系数矩阵等,算法适用性受到极大限制。本文提出了三维坐标转换模型的通用加权整体最小二乘算法,该算法适用于任意旋转角度以及一般性的权矩阵情况下的三维坐标转换模型,并且将结构性系数矩阵、同时包含随机和非随机元素的系数矩阵等情况纳入到了统一的坐标转换模型算法。实例计算表明,本文提出的算法具有通用性,适用于实际应用中的各类三维坐标转换模型。     

混合LS-TLS的GM（1,1）模型在基坑水平位移监测中的应用

通过分析传统GM（1,1）模型的局限性,提出了混合整体最小二乘法（混合LS-TLS）的GM（1,1）模型,并将其应用于宁夏某深基坑水平位移的监测中。同时,将此模型与最小二乘法（LS）的GM（1,1）模型及整体最小二乘法（TLS）的GM（1,1）模型进行了对比,分析了3种模型所求水平位移的预测值。结果表明,混合LS-TLS的GM（1,1）模型更符合工程实际,预测精度更高,在深基坑水平位移监测中具有一定的实用性。     

多元总体最小二乘在三维坐标转换中的应用

为解决总体最小二乘(TLS)解算三维坐标转换时旋转矩阵线性化导致解算精度降低的问题,提出了能够直接求解旋转矩阵的多元总体最小二乘(MTLS)模型。为了验证多元总体最小二乘坐标转换解算效果,设置了各种坐标转换实验,并与总体最小二乘法进行比较。分析了旋转角度和尺度因子对解算精度的影响,并根据实验结果得出了以下结论:在大角度及独立等权观测条件下,多元总体最小二乘坐标转换解算精度优于总体最小二乘,且算法简单无需迭代,能够实现任意尺度的坐标转换。     

经典平差模型的扩展

将经典测量平差的概括模型(附有等式限制条件的条件平差模型)扩展为附不等式约束的平差模型,同时将其定义为测量平差统一模型,并在一定的条件下实现这种平差模型与概括平差模型间的相互转换.在最小二乘平差原则下,作者结合虚拟观测方程处理不等式约束的思路,给出附不等式约束平差的最小二乘显式解,分析其统计性质,并修正传统测量平差结果的统一表达式.按本文所提方法,附不等式约束的平差问题,完全可以利用传统的平差方法和平差程序求解,方法简单可行.     

附参数的条件平差与按行独立的加权最小二乘法估计的一致性研究

测量平差问题多以间接平差模型为基础,间接平差是以观测值表达为参数的显函数为前提,而现代测量技术中,函数模型多表现为参数和观测值的隐函数,线性化后应为附参数的条件平差模型。本文介绍了附参数条件平差模型和加权总体最小二乘估计之间在解决这类问题的原理以及精度估计方法,证明二者估计结果是一致的,旨在揭示TLS方法与经典平差方法的关系,推广总体最小二乘及其扩展方法在现代测量数据处理中的应用。     

LS和TLS在平面坐标转换中的应用

在超定线性方程Ax=b的解算中,最小二乘(LS)只考虑观测向量b的误差,而总体最小二乘(TLS)则同时顾及观测向量b和系数矩阵A均含误差的情况。本文以六参数模型在平面坐标转换中的应用为例,分别采用LS和TLS进行模型参数的求解。结果表明,2种方法所求参数并无显著差异,但是总体最小二乘更好地改善了坐标转换的内部精度,是一种更为合理的计算方法。     

Effects of errors-in-variables on weighted least squares estimation

Although total least squares (TLS) is more rigorous than the weighted least squares (LS) method to estimate the parameters in an errors-in-variables (EIV) model, it is computationally much more complicated than the weighted LS method. For some EIV problems, the TLS and weighted LS methods have been shown to produce practically negligible differences in the estimated parameters. To understand under what conditions we can safely use the usual weighted LS method, we systematically investigate the effects of the random errors of the design matrix on weighted LS adjustment. We derive the effects of EIV on the estimated quantities of geodetic interest, in particular, the model parameters, the variance–covariance matrix of the estimated parameters and the variance of unit weight. By simplifying our bias formulae, we can readily show that the corresponding statistical results obtained by Hodges and Moore (Appl Stat 21:185–195, 1972) and Davies and Hutton (Biometrika 62:383–391, 1975) are actually the special cases of our study. The theoretical analysis of bias has shown that the effect of random matrix on adjustment depends on the design matrix itself, the variance–covariance matrix of its elements and the model parameters. Using the derived formulae of bias, we can remove the effect of the random matrix from the weighted LS estimate and accordingly obtain the bias-corrected weighted LS estimate for the EIV model. We derive the bias of the weighted LS estimate of the variance of unit weight. The random errors of the design matrix can significantly affect the weighted LS estimate of the variance of unit weight. The theoretical analysis successfully explains all the anomalously large estimates of the variance of unit weight reported in the geodetic literature. We propose bias-corrected estimates for the variance of unit weight. Finally, we analyze two examples of coordinate transformation and climate change, which have shown that the bias-corrected weighted LS method can perform numerically as well as the weighted TLS method.     

Robust estimation of geodetic datum transformation

The robust estimation of geodetic datum transformation is discussed. The basic principle of robust estimation is introduced. The error influence functions of the robust estimators, together with those of least-squares estimators, are given. Particular attention is given to the robust initial estimates of the transformation parameters, which should have a high breakdown point in order to provide reliable residuals for the following estimation. The median method is applied to solve for robust initial estimates of transformation parameters since it has the highest breakdown point. A smooth weight function is then used to improve the efficiency of the parameter estimates in successive iterative computations. A numerical example is given on a datum transformation between a global positioning system network and the corresponding geodetic network in China. The results show that when the coordinates are contaminated by outliers, the proposed method can still give reasonable results. Received: 25 September 1997 / Accepted: 1 March 1999     

适用于大旋转角的三维基准转换的一种简便模型

基于大角度的空间直角坐标转换，提出了以方向余弦为参数、适用于任何角度旋转的空间直角坐标转换的简明计算方法。     

大旋转角坐标变换非迭代公式

针对求解7参数的过程中,经典的线性化最小二乘法因需线性化、迭代及初值以及存在算法耗时出现不收敛现象的问题,该文对无须迭代的7参数坐标变换公式进行了研究。为避免各类参数间的相关性,采用消去法并按照依次求解旋转参数、比例系数和平移参数的顺序解得坐标变换参数。先利用最小二乘法求解旋转参数,然后通过构建目标函数的方式求解比例系数与平移参数,最终得到无须线性化、无须迭代、无须初值的,可用于大旋转角的7参数坐标变换公式。与线性化最小二乘方法进行相比,该方法具有相当的精度及更高的运算效率,可在一定程度上丰富坐标变换理论。     

联合大地水准面、海面地形和潮波运动数值模拟的长江口陆海垂直基准转换关系

长江口水域地形地貌研究对河道治理建设、水上交通运输等人类社会经济活动具有重要意义,而建立高精度的无缝深度基准面及其与其他垂直基准间转换模型将直接影响到水陆交界区高精度地形地貌数据的获取及统一综合管理与分析。为此着重研究了基于三维潮波运动数值模拟、海面地形和大地水准面3种手段联合的河口水域无缝深度基准面构建及其与其他垂直基准间转换模型,并在长江口南支这一典型河口水域进行了建模实验和模型精度评估分析。结果显示,垂直基准转换模型中误差为12.4 cm,与现场长期潮位站实际观测结果比对分析得垂直基准转换模型误差绝对值均值为24.2 cm,尽管大于模型中误差估值,但仍满足国际水道测量规范对测深中垂向最大不确定度的要求。     

大角度三维基准转换的解析封闭解

传统大地测量应用中的基准转换往往涉及小角度旋转,可只考虑旋转角的一阶量采用线性化方法求解。现代空间测量技术成果应用的基准转换涉及大角度旋转,通过将旋转矩阵所有元素作为未知数并利用旋转矩阵正交条件采用附约束条件平差法迭代求解。本文以空间三维基准转换为例,采用多元模型的矩阵形式将多点坐标组成矩阵处理,并利用旋转矩阵的正交条件导出了大角度三维基准转换的解析分步解。同时引入两套公共点坐标误差对传统三维基准转换模型扩展,导出了同时顾及两套公共点坐标误差的大角度三维基准转换模型的解析解。试验表明:给出的大角度三维基准转换解析解能在实现与传统迭代解等效转换结果的同时,有效避免复杂耗时的迭代计算,提高计算效果。     

两种大旋转角三维基准转换算法比较研究

分析了两种大旋转角条件下的三维基准转换算法,比较了两种算法的优缺点和使用范围,讨论了选定基准转换所需的公共点及其精度和数量。     

Solution of the weighted symmetric similarity transformations based on quaternions

A new method through Gauss–Helmert model of adjustment is presented for the solution of the similarity transformations, either 3D or 2D, in the frame of errors-in-variables (EIV) model. EIV model assumes that all the variables in the mathematical model are contaminated by random errors. Total least squares estimation technique may be used to solve the EIV model. Accounting for the heteroscedastic uncertainty both in the target and the source coordinates, that is the more common and general case in practice, leads to a more realistic estimation of the transformation parameters. The presented algorithm can handle the heteroscedastic transformation problems, i.e., positions of the both target and the source points may have full covariance matrices. Therefore, there is no limitation such as the isotropic or the homogenous accuracy for the reference point coordinates. The developed algorithm takes the advantage of the quaternion definition which uniquely represents a 3D rotation matrix. The transformation parameters: scale, translations, and the quaternion (so that the rotation matrix) along with their covariances, are iteratively estimated with rapid convergence. Moreover, prior least squares (LS) estimation of the unknown transformation parameters is not required to start the iterations. We also show that the developed method can also be used to estimate the 2D similarity transformation parameters by simply treating the problem as a 3D transformation problem with zero (0) values assigned for the z-components of both target and source points. The efficiency of the new algorithm is presented with the numerical examples and comparisons with the results of the previous studies which use the same data set. Simulation experiments for the evaluation and comparison of the proposed and the conventional weighted LS (WLS) method is also presented.     

综合不同时期的GPS数据求解转换参数的方法

提出了综合利用不同时期的GPS数据解算三维坐标转换参数的一种方法 ,并结合上海地区 1999年和 2 0 0 2年施测的两个GPS控制网数据 ,验证了给出的模型和方法。结果表明 ,利用本方法是合理而有效的